CATIA动力学仿真在起落架装配中的应用

李思强　张莉

摘 要

本文应用大型三维建模软件CATIA建立了某大型民机前起落架及舱门的三维实体模型， 利用CATIA中的数字样机（Digital Mock-Up， DMU）进行起落架收放的运动仿真，利用传感器的碰撞试验功能检测在运动过程中各零件之间是否干涉，并通过测量工具测量分析了起落架与舱门在运动过程中的最小间隙，描绘了起落架在运动过程式中所扫掠的空间范围，以实现与起落架舱干涉检查，通过仿真以确定锁机构装配的位置。动力学仿真实现数字样机的实际工作过程中的运动模拟， 为起落架装配提供了一定的技术支持。

关键词

起落架;CATIA;DMU;运动仿真;建模

中图分类号： V226                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.023

0 概要

飞机起落架是飞机起飞、着陆、滑行和地面支撑、停放的主要装置。大多数军用和民用飞机在起飞着陆过程中起落架都要进行收放运动并且要求飞机在飞行中必须实现起落架收上状态的锁定功能，以保证起落架在收上状态的安全锁定。因此，起落架收放运动检测、干涉检查及锁机构的位置的准确性，成为起落架装配的重点。DMU电子样机是对产品的真实化计算机模拟，满足各种各样的功能，提供用于加工或装配的模拟环境。本文以某型号飞机前起落架为例，建立虚拟样机模型，并赋予了每个部件相互间的装配关系，进行理论分析和方法研究，使技术人员在起落架工艺装配和方法决策时，能对复杂的起落架模型进行装配空间观察、安装/拆卸、干涉检查和机构运动模拟，以减少实物样机的预装配与验证。

1 使用运动机构模拟模块对KIN（CATIA DMU Fitting simulator）對起落架及舱门的收放运动建立动力学模型

以某大型民用飞机前起落架为例，建立虚拟样机的动力学模型。

前起落架结构为支柱双轮式，安装在位于机头下部的前起落架舱内，向前向上收入前起落架舱内。前起落架主要包含以下结构：可折阻力杆、下位撑杆锁和开锁作动筒、减震支柱、转向机构、机轮轴、收放作动筒、上位锁等组成，如图1所示。

将CATIA的装配模块中的数模调入到运动机构模拟模块KIN，再根据各零件之间的运动关系在该模块中定义相应的运动副。

1.1 前起落架主要结构特点如下

a）后舱门采用随起落架外筒联动的形式，起落架放下时后舱门打开，起落架收起时后舱门关闭。

b）前舱门采用单独的液压作动筒驱动方式，当前起落架处在完全放下和收上位置时前舱门均处于关闭状态。

c）前起落架锁包括舱门锁和起落架支柱锁。

d）前起落架前倾角3度，向前向上收起102度收入到前起落架舱内。

1.2 定义运动副，限制自由度

经分析，起落架收放机构与前舱门收放机构均可独立仿真，机构要实现运动仿真需满足自由度为零（即DOF=0）的条件，必须满足下列公式

F = 6n -Σpi -Σ（x）qj-Σrk = 0                     （1）

式（1）中：n为活动构件总数;m为运动副总数;x为原动机总数;Pi为第i个运动副的约束条件数;qj为第j个原动机的驱动约束条件数;rk为其他的约束条件数。

收放机构与前舱门收放机构均可独立仿真，因此各机构自由度均为零（DOF=0）。

1.3 定义驱动命令

将各机构的运动副定义以后，还不能进行运动模拟分析，需要加载驱动。一个机构要想运动，通常会有一个或多个驱动，具体要根据机构形式而定。可以在第2步定义约束的同时进行驱动命令的定义。例如对于圆柱副，既可以定义角度驱动，又可以定义长度驱动，或者同时定义角度驱动和长度驱动。在本文中给前舱门运动机构中添加舱门作动筒之间的圆柱副的长度驱动，具体驱动值如图2 所示，在起落架收放运动机构中添加上阻力杆与前起舱的旋转运动副的旋转角度驱动，具体驱动值如图2 所示。驱动加载完毕后，CATIA会弹出一系统信息，提示可以进行运动模拟，即可以进行后期的运动分析了。

1.4 进行运动仿真

给起落架收放机构前舱门开关机构添加约束和命令使之后可以实现运动仿真，仿真结果如下四幅图，前舱门打开→前起落架收起（后舱门跟着一起关闭）→前舱门关闭。

2 基于运动仿真的数字样机分析

在动态仿真过程中，KIN模块通过运动中的传感器测量的数据来分析检查运动过程中的样机的运动情况，常用以下几个命令 Clash（碰撞分析）;Distance & Band Analysis（距离和区域分析）等。

2.1 运动空间分析

运动过程中空间尺寸非常重要，要保证所设计的产品在运动过程中对其它零件不发生干涉，设置传感器来监测动态仿真过程，比如间隙值、碰撞、速度和加速度等。

由于设计方案的原因，在前起落架收起相同的角度的情况下，齿轮齿条转向装置可能会与舱门干涉，不能满足前起落架的收放要求。所以设置距离传感器，进行收放仿真，分析运动过程中两部件的间隙是否满足要求。

设置分析对象为齿轮齿条的边缘，参考物体分别为前后舱门，仿真运动生成的轨迹线如图6所示，输出文件的曲线如图7所示。从图中可测出在运动过程中齿轮齿条边缘离舱门的最近距离，验证是否符合要求。

2.2 确定上位锁的位置

在前起落架收放时，从前倾角3度，向前向上收起102，用CATIA运动仿真模块中的“轨迹”命令作出此点的轨迹曲线（如图2），即可利用运动仿真得出起落架上位锁的位置。

2.3 包络体分析

描绘了起落架在运动过程式中所扫掠的空间范围，以实现与起落架舱干涉检查，如图9和图10所示，确定前起舱的空间是否足够容纳起落架运动。

3 结束语

起落架零部件虽然没有整机那样复杂，但使用CATIA V5中的DMU功能同样帮助工程师快速解决零装配过程中最为关键的空间尺寸，运动干涉等问题，无疑可以减少产品的装配成本，提高了效率。